CN104180847B - 测量组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量组件，其用于确定测量参数，带有传感器装置(2)、用于输出输出信号的信号输出部(3)和用于调节输出信号的电流强度的电流调节装置(4)。本发明的目的在于提出一种测量组件，其功率消耗在尽可能所有的运行状态中是最大的。对于所提到的测量组件，该目的由此来实现，即设置有负载电流装置(5)和调整装置(6)。在此，调整装置(6)以在电流调节装置(4)上的电压降为出发点来控制负载电流装置(5)。

Description

测量组件

技术领域

本发明涉及测量组件，其用于确定至少一个测量参数。该测量组件具有至少一个传感器装置、用于输出至少一个输出信号的至少一个信号输出部和用于调节输出信号的电流强度的至少一个电流调节装置。

背景技术

上面提到的测量参数例如为介质的流量、填充状态、PH值、导电性或温度。输出信号优选为电流信号，从而输出信号以电流强度的形式承载关于测量参数的值或测量组件的状态的信息。因此，输出信号尤其为所谓的4－20mA信号。测量组件例如为用在工艺自动化的领域中的现场仪器或测量仪器。备选地，测量组件为单独设计的构件的组合。

不同的测量仪器在现代的工艺自动化中用作确定和监测测量参数的所谓的现场仪器，以便可相应地监测或控制工艺。这种测量仪器在此部分地设计为紧凑的单元，或者具有单独的、彼此脱离的构件，其为了传递信息或能量而彼此连接。

原则上，这种测量组件至少具有传感器装置，其用于真实地确定测量参数，并且经常大多数产生依赖于测量参数的且通常电的初级信号。然后可由初级信号或由此推导的参数确定测量参数的真实的值。这部分地发生在测量组件本身中，或者发生在上级的单元中，例如控制室。为了获取测量参数的值，例如需要存储的测定数据或者计算不同的初级信号。在根据雷达原理的填充状态测量中，例如由微波信号关于参考数据－尤其关于在用于测量的天线与箱子(在其中存在测量介质)之间的间距－的运行时间来确定反射微波信号的介质的填充状态。

用于获取测量参数的值或用于处理或转换初级信号的功能区段(其因此后置于传感器装置并且产生可通过信号输出部输出的输出信号)尤其在这种测量组件(其具有单独的或可彼此分开的构件)中还被称作传送器。

为了输出传感器装置的测量值或初级信号或依赖于此的参数，或者还为了输出关于测量组件的状态的例如呈故障信号的形式的信息，通常设置有例如呈接口的形式的信号输出部。

输出信号例如为模拟信号或数字信号。在工艺自动化中，尤其流行使用所谓的4－20mA的信号。在此，输出信号的电流强度－在4mA与20mA之间－通过以下方式用作待输出的信息的载体，即例如使最小的电流强度与可期待的最小测量值相关联，并且使最大的电流强度与可期待的最大测量值相关联。在极限值之间经常使用在电流强度与测量值之间的线性的关联性。为了用信号传递故障状态，产生带有在4－20mA范围之外的电流强度的输出信号。

为了降低用于布线和用于设计测量组件或现场仪器的花费，已知所谓的双线仪器(Zweileitergerät)。在这种现场仪器或测量仪器中仅设置有两个导体，从而使得仪器的数据通讯和能量供给通过相同的线路来实现。因此在这种仪器或组件中同时发生信号输出和电流输入。

因为输出信号处在4mA与20mA之间，所以为现场仪器还相应仅提供相应的电流强度和因此变化的功率。用于运行现场仪器而存在的功率依赖于测量值。因此可相应地设计测量组件的电子设备或构件的控制部。在许多测量组件中争取达到在所有的运行状态中－即在所有的可能的测量值中－能量消耗始终是最大的。

根据4－20mA标准的输出信号为模拟信号。在工艺测量技术中，为了实现数字通讯，一种变型方案为所谓的HART标准(高速可寻址远程转换器)。在此，数字信号与模拟信号相叠加。如果测量组件还应实现根据HART标准的信号输出，那么需要信号输出部或电流输入部具有或呈现高的输入阻抗。

由公开文献DE 199 25 943 A1可得悉这种类型的测量组件，其包括带有传感器装置和电流调节装置的测量值获取部件、测量值评价部件(即一种类型的传送器)和在两者之间的连接部。电流调节装置根据测量值调节电流，这通过由传感器装置的直接的控制来发生。在此，如此控制传感器装置的电流消耗使得在电流调节装置上的电压降尽可能小。

公开文献DE 10 2006 030 962 A1说明了用于双线仪器的现场仪器－电子设备。该电子设备用于在为现场仪器提供的能量不被传感器装置所需要的情况下将多余的能量转变成热。在此，测量在现场仪器中的多个子电流、切断负载、并且通过还用于电压限制的调节环节调节可转变成热的电流。

该结构总体上非常详细、非常昂贵并因此成本很高。尤其实施了多个电流测量。

在公开文献DE 10 2008 062 815 A1中说明了一种电路(Schaltung)，利用其在双线仪器中不消耗多余的电能，而是对其进行储存。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量组件，其功率消耗在尽可能所有的运行状态中是最大的。

根据本发明的测量组件(在其中解决了之前引出并指出的目的)首先并且主要特征在于：设置有至少一个负载电流装置(Laststromvorrichtung)和至少一个调整装置。在此，调整装置至少以在电流调节装置上的电压降为出发点来控制负载电流装置。

根据本发明的测量组件在一种设计方案中尤其设计为双线仪器，从而使得信号输出部尤其还用于测量组件的能量供给。

电流调节装置用于关于电流强度调节输出信号。这在一种变型方案中由此实现，即电流调节装置调节电流强度的可变分量，其与固定分量相结合地－好像作为偏移量－总体上补充成输出信号的电流强度的待调节的且尤其依赖于测量值的值。

调整装置依赖于在电流调节装置上的电压降来控制负载电流装置。负载电流装置尤其为这样的装置，通过其可导出负载电流或使之消散成热。

在一种设计方案中，电流调节装置、调整装置和负载电流装置为测量组件的构件，其后置于原本的传感器装置，并且在一种附加的设计方案中甚至联合成所谓的传送器(Transmitter)。在一种设计方案中，电流调节装置联接于信号输出部的触点处。

相比于现有技术，为了控制多余的能量的消耗，仅确定或监测电压降。取消例如在现有技术中测量在测量组件中的子电流。同样不限制内部的电压。

在一种设计方案中，尤其仅调整在电流调节装置上的电压，以便该电流调节装置或该电流调节装置的至少一个构件未出现饱和。

在一种设计方案中，在晶体管(作为电流调节装置的在该设计方案中重要的组成部分)的两侧相应通过分压器(作为电的阻抗元件的组件)量取电压，并且两个电压通过运算放大器来进行彼此比较。在两个电压值之间的所得出的偏差－总地作为用于在电流调节装置上下降的电压的程度－然后在该设计方案中通过作为负载电流装置的部件的负载晶体管来平衡。通过使用分压器得到在电流调节装置的晶体管上的并不固定的电压差。该电压差由于分压器的分配比容易地在信号输出部处引起更高的电压(所谓的端电压)。

通过负载电流装置消耗传感器装置不需要的电流的分量。因此，功率消耗还可不依赖于运行状态(即测量参数的值)始终是最大的。

在一种设计方案中，如下来进行负载电流装置依赖于在电流调节装置上的下降的电压的控制：如果在电流调节装置上的电压降下降，则起因于接连的电子设备和尤其传感器装置不需要所提供的全部电流，而仅需要一部分。因此如此控制负载电流装置，即提高其能量消耗。如果相反在电流调节装置上的下降的电压上升，则由传感器装置消耗更多的电流，并且适当地降低通过负载电流装置的电流消耗。

这种控制例如对于电流调节装置具有晶体管的设计方案具有这样的优点，该晶体管保持在调整运行中且不可到达到饱和中。此外，又实现信号输出部(其与能量输入部在双线仪器的情况下相同)的输入阻抗保持在相应很高地给定的值上，从而可应用用于数据通讯的HART协议。

在一种设计方案中，电流调节装置和负载电流装置串联连接，并且在一种备选的或补充的设计方案中，电流调节装置和调整装置彼此并联连接。

在一种设计方案中，电流调节装置由至少一个给定装置(Vorgabevorrichtung)在这样的意义中进行控制，即电流调节装置从给定装置获取关于此的信息：可调节输出信号的何种电流强度。在此，控制至少依赖于由传感器装置产生的值。在一种设计方案中，该值尤其为待确定的测量参数的值，而在一种备选的设计方案中，该值为由传感器装置在测量中所取得的值，其通过合适地处理产生待确定的测量参数的值。

在先前的设计方案中，传感器装置产生这样的值，其可能已经为测量参数的最终的值，或者可能例如与标定数据相结合需要进一步的评估和处理。以传感器装置的该值为出发点，给定装置控制电流调节装置并且由此调节输出信号的电流强度的值。

在一种设计方案中，电流强度的调节如此发生，即输出信号的电流强度为包括电流调节装置的可变分量和用于调节电流的附加的装置(固定电流调节装置(Feststromstellvorrichtung))的固定分量的总和。

附加地，在一种设计方案中，给定装置监测输出信号且将在信号输出部处和因此在测量组件的两个线路/触点/端子处存在的电流与输出信号的给定的理论值相比较。在此，在一种设计方案中还使用用于读出所调节的电流的传感式电阻(Sens-widerstand)。

在一种设计方案中，如此设计给定装置和调整装置，即其彼此独立地工作。调整装置因此尤其仅依赖于在电流调节装置上的电压降且因此不依赖于给定装置来控制负载电流装置，并且还如此使得传感器装置的值并未传递到调整装置处。在该设计方案中，给定装置获取关于传感器装置的待调节的输出信号的信息且以此为出发点控制电流调节装置。调整装置本身监测在电流调节装置上的电压降且以此为出发点控制负载电流装置，不受传感器的值或通过给定装置的给定的影响。

在一种设计方案中，负载电流装置至少部分地设计为用电器。在该设计方案中，负载电流装置尤其用于消耗电能，其在给定的运行状态(即这样的状态，其带有测量参数的相应确定的值且不依赖于此的输出信号的电流强度的相应的值)中尤其不被传感器装置所需要或消耗。通过负载电流装置消耗似乎多余的能量依赖于在电流调节装置上的电压降来控制。

在一种设计方案中，负载电流装置具有至少一个晶体管。

该设计方案致力于这种的类型的控制，在其中调整装置如此控制负载电流装置，即在电流调节装置上的电压降下降时通过负载电流装置消耗的电能升高。备选地或补充地，调整装置控制如此控制负载电流装置，即在电流调节装置上的电压降升高时通过负载电流装置消耗的电能下降。

该设计方案致力于另一测量组件，其根据至少一个固定电流调节装置来设置，该固定电流调节装置调节用于输出信号的电流强度的可给定的固定的值。在该设计方案中，总体上输出信号的电流强度的值由固定的值(其由固定电流调节装置来调节)和可变的值(其由电流调节装置来调节)得出。

在一种设计方案中，固定电流调节装置还尤其用作起动电源，以便保证测量组件的基本运行。这尤其针对该情况，即在已经不存在能量的情况下不可操控电流调节装置或尤其作为电流调节装置的组成部分的晶体管。

在一种设计方案中，电流调节装置具有至少一个晶体管。在此，调整装置如此控制负载电流装置，即电流调节装置的晶体管保持在饱和之外。在该设计方案中确保晶体管不陷于饱和且因此不再可控制。

在电流调节装置中带有晶体管的设计方案可尤其组合这样的设计方案，在其中电流调节装置和负载电流装置作为电能的消耗器处于串联中。通过由调整装置相应地控制负载电流装置可阻止晶体管的饱和。

在一种设计方案中，通过阻止饱和还保证信号输出部的输入阻抗始终保持得很高并且不下降。

在另一设计方案中，负载电流装置与信号输出部并联连接，并与传感器装置并联连接。

在一种设计方案中设置成传感器装置用于根据涡流原理的流量测量。一种备选的设计方案设置成流量作为测量参数由MID传感器装置或根据科里奥利流量测量原理来测量。备选地，传感器装置用于根据雷达原理的填充状态或间距测量。同样可转化其他的测量方法。

附图说明

具体存在设计和改进根据本发明的测量组件的多种可能性。为此，一方面参考从属于权利要求1的权利要求，另一方面结合附图参考实施例的下列的说明。其中：

图1显示了根据本发明的测量组件的借助框图说明主要功能上的作用关系的示意性的图示，

图2显示了图1的测量组件的一部分的放大的截面，以及

图3显示了用于使用在根据图1的测量组件中的传感器装置的示意性的图示。

具体实施方式

在图1中示出了测量组件1的一个实施例，其中，该图不是在正确的电路图的意义中的图示，而是相反可辨识出在测量组件1的不同的组成部分之间的作用关系。图2显示了图1的测量组件1的一部分，而图3示意性地补充地描述了传感器装置2的示例。

图1示意性地显示了测量组件1的结构，其在此尤其实施为紧凑的、单件式的现场仪器。为了确定测量参数而设置有传感器装置2，其例如用于通过管路的可流动的介质的流量测量。

测量参数的由测量组件1确定的值通过信号输出部3作为4－20mA的信号输出。在此使用在电流强度与测量参数的值之间的关联性。因为作为测量组件1的现场仪器在所显示的设计方案中实施为所谓的双线仪器，信号输出部3同时还用作电能的输入部。

为了调节输出信号的电流强度且因此最终为了输出用于确定测量参数的值尤其设置有电流调节装置4。

在根据本发明的测量组件1中，针对每个测量值且因此还针对每个运行状态通过信号输出部3获得相应最大可支配的电能。同时，仍还保证信号输出部3同样在每个运行状态中具有相同的输出阻抗，并由此通过信号输出部3的设计而具有相同大小的输出阻抗。这允许同样通过信号输出部3实施根据HART标准的数据通讯。

对于测量组件1的特性，在所示出的转化方案中，负载电流装置5与电流调节装置4串联布置。负载电流装置5主要用于消耗多余的－即尤其传感器装置2不需要的－电能，并且将其例如转变成热。在此，负载电流装置5在所显示的设计方案中与传感器装置2并联连接。在一种设计方案中，此处未示出的至少一个晶体管设置为负载电流装置5的部件。

可由负载电流装置5例如消散成热的电能的量取决于在电流调节装置4上的电压降。电压降的监测和以此为出发点的负载电流装置5的控制通过调整装置6来进行。在一种设计方案中，在调整装置6中相应通过此处未示出的分压器测量两个电压－在电流调节装置4或电流调节装置4的至少一个构件之前和之后的电压，以便获取用于在电流调节装置4上的电压降的值。两个电压然后通过此处未示出的运算放大器来彼此比较，其中，在有偏差的情况下适当地再调整负载电流源5。

电流调节装置4由给定装置7来控制，其从传感器装置2获取可通过输出信号传递的值。电流强度的分量(其通过电流调节装置4来调节)为可变的分量，其与固定的分量(其通过并联于电流调节装置4布置的固定电流调节装置8来给定)总地补充成输出信号的电流强度，其与传感器装置2的值和因此在所显示的设计方案中尤其还与测量参数的值相关联。

通过固定电流调节装置8同时还给出最小电流，其使得能够实现测量组件的电子设备的起动，因为为了运行电流调节装置4需要电流。

调整装置6和给定装置7彼此独立地来实施，并且传感器装置2的值同样并未到达调整装置6。调整装置6仅监测在电流调节装置4上的电压降，并且还仅依赖于该电压降来控制负载电流装置5。

在图2中显示出电流调节装置4具有至少一个晶体管9。如果确定了在晶体管9之前和之后的电压，并且通过负载电流装置5在电压彼此有偏差的情况下消耗电能的相应合适的量，那么还可尤其由此阻止晶体管9陷于饱和。

图3作为用于传感器装置2的示例显示了用于可流动的介质(通过箭头来标明)的涡流流量测量仪。这种测量仪的测量原理基于在可流动的介质中在阻塞体10(其由测量管11中的介质绕流)之后可形成所谓的卡门涡街，其由随流向前运动的且通过阻塞体10分开的涡流形成。频率(利用其涡流由阻塞体10分开)依赖于流动速度，其中，该关系在一定的条件下近似是线性的。因此可通过利用记录单元12测量涡流频率确定介质的流动速度。

Claims (8)

1.一种测量组件(1)，其用于确定至少一个测量参数，带有至少一个传感器装置(2)、用于输出至少一个输出信号的至少一个信号输出部(3)和用于调节输出信号的电流强度的至少一个电流调节装置(4)，其特征在于，设置有至少一个负载电流装置(5)，并且设置有至少一个调整装置(6)，其中，所述调整装置(6)至少以在所述电流调节装置(4)上的电压降为出发点来控制所述负载电流装置(5)，所述负载电流装置(5)至少部分地设计为用电器，并且所述调整装置(6)如此控制所述负载电流装置(5)，即在所述电流调节装置(4)上的电压降下降时通过所述负载电流装置(5)消耗的电能升高，和/或在所述电流调节装置(4)上的电压降升高时通过所述负载电流装置(5)消耗的电能下降。

2.根据权利要求1所述的测量组件(1)，其特征在于，所述电流调节装置(4)和所述负载电流装置(5)串联连接。

3.根据权利要求1或2所述的测量组件(1)，其特征在于，所述电流调节装置(4)和所述调整装置(6)彼此并联连接。

4.根据权利要求1或2所述的测量组件(1)，其特征在于，设置有至少一个给定装置(7)，其至少依赖于由所述传感器装置(2)产生的值来控制所述电流调节装置(4)。

5.根据权利要求4所述的测量组件(1)，其特征在于，所述给定装置(7)和所述调整装置(6)彼此独立地工作。

6.根据权利要求1或2所述的测量组件(1)，其特征在于，设置有至少一个固定电流调节装置(8)，其调节用于输出信号的电流强度的可给定的固定的值。

7.根据权利要求1或2所述的测量组件(1)，其特征在于，所述电流调节装置(4)具有至少一个晶体管(9)，并且所述调整装置(6)如此控制所述负载电流装置(5)使得所述晶体管(9)保持在饱和之外。

8.根据权利要求1或2所述的测量组件(1)，其特征在于，所述负载电流装置(5)与所述信号输出部(3)并联连接，且与所述传感器装置(2)并联连接。